軍校研究生“數(shù)字信號(hào)處理”課程改革

胡永江，王永川，馬曉琳

(軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003)

“數(shù)字信號(hào)處理”課程是軍隊(duì)工科院校電子類(lèi)、控制類(lèi)及信息類(lèi)等專(zhuān)業(yè)研究生的一門(mén)不可或缺的學(xué)位課，與最優(yōu)控制、故障診斷和人工智能等多門(mén)學(xué)科緊密相關(guān)[1-3]。在多年的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，該課程基礎(chǔ)起點(diǎn)高，內(nèi)容抽象，理論較深且實(shí)踐性強(qiáng)[4-5]。但是軍隊(duì)工科院校研究生來(lái)源復(fù)雜，知識(shí)結(jié)構(gòu)差異較大[6];學(xué)生課題研究對(duì)數(shù)字信號(hào)處理具有多樣化要求。我們針對(duì)這些特點(diǎn)，對(duì)課程進(jìn)行了改革。

1 課程教學(xué)實(shí)施中的問(wèn)題

1)對(duì)教學(xué)工作有很高要求

“數(shù)字信號(hào)處理”課程要求數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較高，內(nèi)容比較抽象，需要使用數(shù)學(xué)語(yǔ)言對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述，缺少直觀性。但因聯(lián)系工程實(shí)踐緊密，這些特點(diǎn)向教學(xué)工作提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，很容易出現(xiàn)“講不清，學(xué)不明，用不上”的情況。

2)生源參差不齊

我院每年招收的碩士研究生主要來(lái)自地方院校(國(guó)防生類(lèi))、相關(guān)專(zhuān)業(yè)系(軍校生類(lèi))以及部隊(duì)干部(在職干部類(lèi))，學(xué)生的知識(shí)背景、知識(shí)結(jié)構(gòu)、理論基礎(chǔ)、理解能力和實(shí)踐能力差別很大，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過(guò)全部專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)生很少。統(tǒng)計(jì)表明，在我院2011年至2013年選修“數(shù)字信號(hào)處理”課程的研究生中，有近42%的研究生沒(méi)有學(xué)過(guò)信號(hào)與系統(tǒng)或自動(dòng)控制原理，有近36%的研究生缺乏如積分變換、概率理論和復(fù)變函數(shù)等重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，給教學(xué)工作的有序進(jìn)行帶來(lái)較大困難。

3)欠缺工程背景

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)有很強(qiáng)的實(shí)踐性，軍校類(lèi)和國(guó)防生類(lèi)研究生都缺乏扎實(shí)的工程實(shí)踐背景，對(duì)Matlab和DSP等相關(guān)仿真實(shí)踐基礎(chǔ)知識(shí)缺乏，導(dǎo)致學(xué)習(xí)過(guò)程和實(shí)踐環(huán)節(jié)非常被動(dòng)。

4)課程內(nèi)容豐富與課時(shí)較少矛盾突出

“數(shù)字信號(hào)處理”課程內(nèi)容十分豐富且涉及面廣，學(xué)習(xí)過(guò)程難度增加，但分配的學(xué)時(shí)有限，內(nèi)容豐富和學(xué)時(shí)較少的矛盾突出，不但給掌握知識(shí)帶來(lái)障礙，而且給教學(xué)過(guò)程帶來(lái)不便。

5)課題研究需求給內(nèi)容選擇帶來(lái)挑戰(zhàn)

由于我院研究生課題主要是針對(duì)具體武器裝備展開(kāi)研究，各專(zhuān)業(yè)武器裝備技術(shù)差異大，需針對(duì)具體信號(hào)在處理算法的理論和實(shí)踐上進(jìn)行拓展，以滿足不同專(zhuān)業(yè)研究生的課題需求，如何合理選擇教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容，直接關(guān)系到教學(xué)內(nèi)容的完整性、系統(tǒng)性和實(shí)用性。

6)創(chuàng)新能力培養(yǎng)給內(nèi)容設(shè)計(jì)提出高要求

根據(jù)軍隊(duì)院校研究生培養(yǎng)目標(biāo)要求[6]，培養(yǎng)研究生的自主學(xué)習(xí)、工程實(shí)踐、科研創(chuàng)新、論文寫(xiě)作以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力，都需要在課程內(nèi)容頂層規(guī)劃時(shí)，有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)施

我們結(jié)合課程特點(diǎn)，針對(duì)課程教學(xué)實(shí)施中存在的問(wèn)題，將課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，形成基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和拓展專(zhuān)題三個(gè)相輔相成的課程教學(xué)體系，分別占總課時(shí)的65%、25%和10%。在基礎(chǔ)理論體系中，重點(diǎn)解決課程內(nèi)容過(guò)多、內(nèi)容抽象過(guò)難和學(xué)生缺少專(zhuān)業(yè)知識(shí)等問(wèn)題;在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)解決學(xué)生缺少工程背景知識(shí)，著力提高學(xué)生工程實(shí)踐、論文寫(xiě)作和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力;在拓展專(zhuān)題體系設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)解決學(xué)生課題研究需求多樣化難題，著力提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和科研創(chuàng)新等能力。

2.1 基礎(chǔ)理論體系設(shè)計(jì)與教學(xué)

(1)精心組織教學(xué)內(nèi)容，仔細(xì)講解重要知識(shí)點(diǎn)。首先是補(bǔ)充部分信號(hào)與系統(tǒng)知識(shí)，解決學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)薄弱的難題，保證學(xué)生能夠正常入門(mén);然后講述如何獲取數(shù)字信號(hào)(即抽樣定理)及存在問(wèn)題(即量化誤差分析);再講述如何認(rèn)知數(shù)字信號(hào)或系統(tǒng)的特性(即頻域分析與變換理論);然后講述如何處理含噪或受擾數(shù)字信號(hào)(即濾波器理論與設(shè)計(jì));最后講述如何根據(jù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)(即信號(hào)參數(shù)估計(jì)與建模)。以問(wèn)題為牽引，形成一條數(shù)字信號(hào)獲取、分析與處理及系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的精簡(jiǎn)理論知識(shí)鏈。同時(shí)在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，縮減一些繁瑣陳舊的理論推導(dǎo)，注重理論數(shù)學(xué)性與物理性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)調(diào)結(jié)論的物理意義和工程應(yīng)用。

(2)與時(shí)俱進(jìn)，引入學(xué)科專(zhuān)業(yè)前沿知識(shí)。采用對(duì)比法進(jìn)行講解學(xué)習(xí)，如針對(duì)奈奎斯特抽樣定理的局限性，可引入帶限信號(hào)的欠抽樣定理;針對(duì)傅立葉變換譜分析的缺陷，討論短時(shí)傅里葉分析等理論;針對(duì)經(jīng)典濾波器的缺點(diǎn)，適當(dāng)擴(kuò)展維納濾波、自適應(yīng)濾波和卡爾曼濾波等知識(shí);針對(duì)經(jīng)典譜估計(jì)和建模的不足，引入?yún)?shù)譜估計(jì)、非參量譜估計(jì)以及高階譜估計(jì)等知識(shí)。這些前沿知識(shí)的引入，既拓展了學(xué)生的知識(shí)面，又與學(xué)院各類(lèi)武器裝備所用信號(hào)處理知識(shí)息息相關(guān)，滿足各學(xué)科對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)需求。

2.2 實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)與實(shí)施

實(shí)驗(yàn)研究是培養(yǎng)研究生應(yīng)用能力的重要環(huán)節(jié)，我院按照“厚基礎(chǔ)”和“強(qiáng)綜合”的原則，基于Matlab軟件和DSP開(kāi)發(fā)工具箱，形成“數(shù)字信號(hào)如何采集獲取，如何進(jìn)行譜分析，如何變換以及如何濾除雜波”的一條與理論相呼應(yīng)的實(shí)驗(yàn)體系。

(1)與基礎(chǔ)理論體系相對(duì)應(yīng)，形成數(shù)字信號(hào)采集與抽樣、傅立葉變換與譜分析、濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和功率譜估計(jì)與信號(hào)建模等四個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)專(zhuān)題，重點(diǎn)解決仿真軟件運(yùn)用和理論與實(shí)踐相結(jié)合的問(wèn)題。

(2)按照數(shù)字信號(hào)采集、分析和處理的設(shè)計(jì)思路，在控制、通信、雷達(dá)、機(jī)械以及測(cè)試領(lǐng)域設(shè)置了五個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，重點(diǎn)解決綜合設(shè)計(jì)和運(yùn)用中出現(xiàn)的難題。根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求，由2-3名學(xué)生按五個(gè)綜合方向分成若干個(gè)小組，分工協(xié)作，通過(guò)編寫(xiě)仿真代碼、演示仿真結(jié)果和撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方式，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究和探索，切實(shí)提高研究生的工程實(shí)踐能力和論文寫(xiě)作能力。

2.3 拓展專(zhuān)題的設(shè)計(jì)與實(shí)施

我們根據(jù)每個(gè)研究生研究方向，參照基礎(chǔ)理論體系和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系，設(shè)立控制信號(hào)處理、通信信號(hào)處理、雷達(dá)信號(hào)處理、機(jī)械振動(dòng)信號(hào)處理、測(cè)試信號(hào)處理、圖像信號(hào)處理和語(yǔ)音信號(hào)處理等七個(gè)拓展專(zhuān)題。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生可自主選題并組成2-3人興趣研究小組，采用分組自主學(xué)習(xí)、撰寫(xiě)研究報(bào)告和課堂交流相結(jié)合的方式，在相互學(xué)習(xí)、共同提高的同時(shí)，保證了每個(gè)學(xué)生都有一個(gè)與自身專(zhuān)業(yè)相關(guān)的拓展專(zhuān)題。

3 課程考核與效果評(píng)估

1)課程考核

為了評(píng)估課程整合設(shè)計(jì)后的教學(xué)效果，課程考核采用理論考試、實(shí)驗(yàn)匯報(bào)和專(zhuān)題交流相結(jié)合模式。

理論考試主要考核基礎(chǔ)理論，120分鐘閉卷模式，成績(jī)占40%;實(shí)驗(yàn)匯報(bào)依據(jù)綜合實(shí)驗(yàn)專(zhuān)題，采用主題報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)演示和回答質(zhì)疑相結(jié)合的方式，成績(jī)占40%;專(zhuān)題交流依據(jù)拓展專(zhuān)題，撰寫(xiě)研究論文，在課堂討論時(shí)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告和討論交流，成績(jī)占20%。

2)效果評(píng)估

學(xué)院2011年至2013年選修“數(shù)字信號(hào)處理”課程的考核成績(jī)統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 2011年-2013年考核成績(jī)統(tǒng)計(jì)圖

其中成績(jī)A表示在85分以上，成績(jī)B在85分至75分之間，成績(jī)C表示在75分至60分之間。通過(guò)三年“數(shù)字信號(hào)處理”課程的教學(xué)實(shí)踐和考核評(píng)估，可以發(fā)現(xiàn):在課程內(nèi)容整合初期(2011年)，學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論掌握很好，但在實(shí)驗(yàn)匯報(bào)和專(zhuān)題交流兩個(gè)方面不夠理想;在教學(xué)內(nèi)容整合中期(2012年)，采用減少理論講解、增加實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，雖然基礎(chǔ)理論掌握情況有小幅度回落，但學(xué)生的實(shí)驗(yàn)匯報(bào)環(huán)節(jié)成績(jī)有了大幅度的提高，;在教學(xué)內(nèi)容整合后期(2013)，學(xué)生在理論考試、實(shí)驗(yàn)匯報(bào)和專(zhuān)題交流方面都有很大幅度提高。

實(shí)踐表明，基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和拓展專(zhuān)題的課時(shí)分別為50%、35%和15%時(shí)比較合適。根據(jù)近三年學(xué)生反饋意見(jiàn)來(lái)看，學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容體系的設(shè)置非常滿意，基礎(chǔ)較好的學(xué)生表示在迅速掌握基礎(chǔ)理論的同時(shí)，可以花更多精力在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和拓展專(zhuān)題上，拓展自己的能力;基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生表示通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，使自己在薄弱環(huán)節(jié)得到提高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)軍隊(duì)院校研究生培養(yǎng)目標(biāo)要求，結(jié)合我院研究生特點(diǎn)和學(xué)科發(fā)展需求，對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程內(nèi)容進(jìn)行了整合設(shè)計(jì)。整合設(shè)計(jì)是課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，也是針對(duì)課程目標(biāo)、授課對(duì)象和課程特點(diǎn)進(jìn)行高度融合的教學(xué)需要。除了使學(xué)生掌握了數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論知識(shí)，還鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、工程實(shí)踐、科研創(chuàng)新、論文寫(xiě)作以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等應(yīng)用創(chuàng)新能力，達(dá)到了課程教學(xué)改革的主要目的。針對(duì)理論前沿和拓展專(zhuān)題較難的問(wèn)題，下一步將這兩個(gè)部分采用MOOC方式，化繁為簡(jiǎn)、化難為易、化大為小，讓學(xué)生在課余自主學(xué)習(xí)，真正的讓學(xué)生帶著興趣學(xué)，帶著問(wèn)題學(xué)，切實(shí)提高其應(yīng)用創(chuàng)新能力。

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